JP2014124620A

JP2014124620A - 加熱粉砕装置

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Publication number: JP2014124620A
Application number: JP2012285484A
Authority: JP
Inventors: Toru Joboji; 亨上坊寺; Koichi Shiraishi; 剛一白石; Koji Kikuchi; 幸二菊池
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-07-07

Abstract

【課題】セルロース糖化プロセスにおける加熱粉砕処理を効率よく行なう。
【解決手段】セルロース系の試料を粉砕する際に、加熱装置４０のコイル４４に流れる交流電流による誘導加熱によって粉砕容器２６の内側層２６ａや複数の円板２８を加熱する。これにより、抵抗加熱発熱体を発熱させて粉砕容器２６の内側層２６ａや複数の円板２８を加熱するものに比して加熱に必要なエネルギを小さくすることができ、粉砕容器２６の外側に加熱用の熱媒体の流路を形成するものに比して振動の付与に必要なエネルギを小さくすることができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、バイオ燃料の原料となるセルロース系のバイオマスを粉砕するための粉砕装置に関する。

従来、この種の粉砕装置としては、円板リング形状の粉砕媒体を円筒形に形成された円筒粉砕容器に装入し、駆動用モータを駆動源として円筒粉砕容器を振動させて円板リング型粉砕媒体を円筒粉砕容器内で転動させることにより、被粉砕物を粉砕するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、２つの円筒粉砕容器を中間連結チューブを用いて上下に連結し、上側の円筒粉砕容器の端部に原料入口が設けられており、下側の円筒粉砕容器の端部に被粉砕物の原料出口が設けられている。

また、円筒容器に突起付リング型粉砕媒体を装入し、駆動用モータを駆動源として円筒容器を振動させて突起付リング型粉砕媒体を円筒容器内で転動させることにより、バイオマスを粉砕するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この装置では、円筒容器の外側に冷却用の冷却ジャケットが取り付けられており、冷却ジャケットに所定の温度と流量の冷却水を流してバイオマスが粉砕されるときに発生する熱で高温になるのを防止している。

特開２０１２−１１３３１号公報特開２０１２−１１３３０号公報

近年、サトウキビやトウモロコシ等のバイオマスを原料としたバイオ燃料の生産は、原料が食料品であるため、その競業が問題とされている。このため、食料との競業のない木片や古着などのセルロース系のバイオマスを原料としてバイオ燃料を生産することが研究されている。

セルロースをグルコースまで分解するセルロース糖化プロセスにおいて、出願人は、粗粉砕したバイオマスを２００℃程度で飽和蒸気圧未満の雰囲気で常圧近傍で数時間に亘って粉砕する加熱粉砕処理を行なうことによって可溶物とし、この可溶物の水溶液を酸触媒を用いてグルコースまで糖化する手法を考案した。この手法の詳細については、特願２０１１−１４４９５３や特願２０１１−２６１３６２に記載されている。

このセルロース糖化プロセスにより実際のプラントでバイオ燃料を製造する際、大きなエネルギを要する加熱粉砕処理をできるだけ低エネルギで行なうことは大きな課題となる。

本発明の加熱粉砕装置は、セルロース糖化プロセスにおける加熱粉砕処理を効率よく行なうことを主目的とする。

本発明の加熱粉砕装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の加熱粉砕装置は、
セルロース系の試料を加熱しながら粉砕する加熱粉砕装置であって、
粉砕容器と粉砕媒体とのうちの少なくとも一方が磁性体材料により形成されており、前記粉砕媒体を前記粉砕容器の内側に装入して構成された粉砕本体と、
前記粉砕容器の外側の少なくとも一部に取り付けられ、前記粉砕容器または前記粉砕媒体のうち磁性体材料により形成された少なくとも一方を誘導加熱により加熱するコイルを有する加熱手段と、
前記加熱手段が取り付けられた前記粉砕本体に振動を付与可能な振動付与手段と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の加熱粉砕装置では、加熱手段により粉砕容器と粉砕媒体とのうちの少なくとも一方を直接加熱することにより、電気抵抗により抵抗加熱発熱体（例えばニクロム線）を発熱させて粉砕容器や粉砕媒体を加熱するものに比して加熱に必要なエネルギを小さくすることができ、粉砕容器の外側に加熱用の熱媒体の流路を形成して熱媒体を流すことにより粉砕容器を加熱するものに比して振動の付与に必要なエネルギを小さくすることができる。この結果、加熱粉砕処理を効率よく行なうことができる。ここで、振動付与手段によって粉砕本体に付与される振動は、粉砕容器に装入された粉砕媒体が粉砕容器内で転動するのに必要な振動を意味している。この振動は、例えば、粉砕容器の内側が円筒形に形成されており、粉砕媒体が複数の円板または円環である場合、円板あるいは円環が粉砕容器の内周面に接触しながら回動する（自転しながら公転する）ために必要な振動である。こうした振動により、粉砕媒体が粉砕容器内で転動することにより試料が粉砕される。

こうした本発明の加熱粉砕装置において、前記加熱手段は、前記粉砕容器の下部にコイルが取り付けられている、ものとすることもできる。粉砕容器内の試料は、粉砕媒体により巻き上がるものの、多くは重力により下方に存在するから、粉砕ユニットの下部を加熱することにより、試料を加熱する際のエネルギ効率を高くすることができる。

また、本発明の加熱粉砕装置において、前記粉砕容器は、反磁性体で断熱性を有する材料により形成された被覆層が外側全体に形成されている、ものとすることもできる。こうすれば、試料を加熱する際のエネルギを更に小さくすることができる。

さらに、本発明の加熱粉砕装置において、前記粉砕容器と粉砕媒体は、共に磁性体材料により形成されている、ものとすることもできる。こうすれば、粉砕容器と粉砕媒体の双方を加熱することができる。

本発明の一実施例としての加熱粉砕装置２０の構成の概略を示す構成図である。セルロースをグルコースまで分解するセルロース糖化プロセスの一例を示す説明図である。実施例のセルロース糖化プロセスの実施条件を示す説明図である。粉砕本体２２や加熱装置４０の構成の概略を示す構成図である。粉砕本体２２や加熱装置４０の構成の概略を示す構成図である。振動付与装置５０によって振動が付与されているときの粉砕本体２２の様子を示す説明図である。振動付与装置５０によって振動が付与されているときの粉砕本体２２の様子を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての加熱粉砕装置２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、セルロースをグルコースまで分解するセルロース糖化プロセスの一例を示す説明図であり、図３は、実施例のセルロース糖化プロセスの実施条件を示す説明図である。以下、説明の都合上、まず、セルロース糖化プロセスについて説明し、その後、実施例の加熱粉砕装置２０について説明する。

セルロース糖化プロセスでは、図２に示すように、セルロース（（Ｃ₆Ｈ₁₀Ｏ₅）_n：ｎは１０数〜）やでん粉，ヘミセルロース，ペクチンなどのセルロース系の試料を加熱しながら粉砕する加熱粉砕処理を行ない、粉砕後の試料を糖化させる糖化処理を行なって、グルコース（Ｃ₆Ｈ₁₀Ｏ₆）を生成する。

ここで、試料は、セルロース系の原料、例えば、草類（稲わらや麦わら，バガスなど），間伐材（竹や笹など），木材加工木屑（おがくずやチップ，端材など），木質系（街路樹剪定材や木質建築廃材，樹皮，流木など），セルロース製品（綿や紙，衣類など）などを粗粉砕して用いることができる。

加熱粉砕処理では、実施例の加熱粉砕装置２０を用いて、図３に示すように、２５０℃程度までの飽和蒸気圧未満の雰囲気で常圧近傍で数時間に亘って試料を粉砕する。この処理により、セルロースを非晶質化および低分子化させて、水溶性のオリゴ糖（（Ｃ₆Ｈ₁₀Ｏ₅）_n：ｎは数〜１０数）などを生成する。

糖化処理では、加熱粉砕後の試料（オリゴ糖など）に水を加えて固液分離によって水溶液と残渣とに分離し、水溶液をカーボン固体酸や有機酸（例えば酢酸や蟻酸など）などの酸触媒を用いて１５０℃程度で数時間処理することによってグルコースまで糖化させる。

従来、セルロース糖化プロセスにおいて、１００℃以上で臨界点以下の加圧熱水（飽和蒸気圧以上に加圧されて液体状態で存在するいわゆる亜臨界水）によってセルロースを水に可溶な低分子量多糖類とする水熱処理が考えられている（例えば、特開２０１０−１６６８３１号公報や特開２０１０−２７９２５５号公報参照）。しかしながら、こうした水熱処理では、セルロースの含水率が高いために、過分解が生じて、オリゴ糖以外の物質が生成されやすく、セルロースからグルコースへの転化率（グルコースの糖収率）の向上を図るのが難しいという課題がある。これに対して、実施例では、図３に示すように、飽和蒸気圧未満の雰囲気で加熱粉砕処理を行なうことにより、過分解が生じるのを抑制して、水溶性のオリゴ糖などをより十分に生成することができ、ひいては、セルロースからグルコースへの転化率（グルコースの糖収率）の向上を図ることができる。

次に、加熱粉砕処理で用いる実施例の加熱粉砕装置２０について説明する。実施例の加熱粉砕装置２０は、図１に示すように、粉砕容器２６の内側に粉砕媒体としての複数の円板２８を装入して構成された粉砕本体２２と、粉砕本体２２の外側に取り付けられてコイル４４を有する加熱装置４０と、加熱装置４０が取り付けられた粉砕本体２２に水平方向の振動を付与可能な振動付与装置５０と、を備える。

粉砕本体２２は、図１や図４，図５の構成図に示すように、内側および外側が円筒形に形成された粉砕容器２６と、粉砕容器２６の内側に挿入された複数の円板２８と、を備える。ここで、粉砕容器２６は、磁性体材料（例えば、鉄など）によって形成された内側層２６ａと、反磁性体で断熱性を有する材料（例えば、セラミックス（アルミナやジルコニアなど）など）によって内側層２６ａ全体を覆うように形成された被覆層２６ｂと、によって構成されている。また、複数の円板２８は、磁性体材料（例えば、鉄など）によって、外周面に複数の突起が形成された歯車状に形成されている。この粉砕本体２２では、振動付与装置５０によって水平方向の振動が付与されると、図６や図７に示すように、複数の円板２８が粉砕容器２６の内周面に接触しながら回動する（自転しながら公転する）ことによって試料を粉砕する。なお、粉砕容器２６内の試料は、複数の円板２８によって巻き上がるものの、多くは重力によって下方に存在するから、複数の円板２８によって粉砕容器２６内の下方でより多く粉砕される。

加熱装置４０は、図１や図４，図５の構成図に示すように、コイル４４や交流電源，スイッチが直列接続された電気回路４２と、コイル４４が内蔵されて粉砕本体２２の下半分程度の外側を覆うよう取り付けられる容器受け部４６と、を備える。ここで、コイル４４は、粉砕容器２６の周方向に見たときに粉砕容器２６の下半分の外周側を覆う（図４参照）と共に粉砕容器２６（伝達軸５６）の軸方向に見たときに粉砕容器２６の外周側の全体を覆うよう配置されるものとした。また、容器受け部４６は、反磁性体材料（例えば、セラミックス（アルミナやジルコニアなど）など）によって形成されている。この加熱装置４０では、スイッチをオンとすると、コイル４４に交流電流が流れ、磁性体材料によって形成された粉砕容器２６の内側層２６ａや複数の円板２８を誘導加熱によって加熱する。実施例では、粉砕容器２６の内側層２６ａの内部や粉砕容器２６内に温度センサを設けてその検出温度が設定温度（セルロースからグルコースへの転化率がより高くなるように実験や解析などによって設定された温度）となるようスイッチをオンオフ制御したり、粉砕容器２６内の温度が設定温度となるよう加熱粉砕処理の開始からの経過時間に応じてスイッチをオンオフ制御したりするものとした。

振動付与装置５０は、図１の構成図に示すように、駆動源としてのモータ５１と、モータ５１の出力軸にユニバーサルジョイント５２を介して接続された伝達軸５３と、伝達軸５３に取り付けられた歯車５４と噛合する歯車５５が取り付けられた伝達軸５６と、伝達軸５６と粉砕本体２２（粉砕容器２６）とを接続する接続部５７と、伝達軸５６における粉砕本体２２の軸方向（図１の左右方向）の両端部近傍に取り付けられた２つのアンバランスウェイト５８と、図示しない基台と粉砕本体２２とに介在して粉砕本体２２を上下方向に支持する弾性体（コイルばねなど）５９と、を備える。ここで、２つのアンバランスウェイト５８は、その回転時に、遠心力の上下方向の力が打ち消されると共に遠心力の水平方向の力が合力として伝達軸５６に作用するよう伝達軸５６に取り付けられている。この振動付与装置５０では、モータ５１の駆動により、歯車５４，５５を介して伝達軸５６に駆動力が伝達されると、アンバランスウェイト５８の回転によって発生する加振力や弾性体５９による弾性力によって伝達軸５６および粉砕本体２２を水平方向に振動させる。

こうして構成された実施例の加熱粉砕装置２０では、セルロース系の試料を粉砕容器２６の図示しない投入口から投入して、振動付与装置５０のモータ５１を駆動すると共に加熱装置４０のコイル４４に交流電流を流すと、コイル４４に流れる交流電流による誘導加熱によって粉砕容器２６（内側層２６ａ）や複数の円板２８を加熱しながら、粉砕容器２６の水平方向の振動による複数の円板２８の粉砕容器２６内での回動によって試料を粉砕する。実施例では、上述したように、２００℃程度までの飽和蒸気圧未満の雰囲気で常圧近傍で数時間に亘って試料を粉砕するものとした。このように誘導加熱によって粉砕容器２６や複数の円板２８を加熱することにより以下の効果を奏することができる。まず、粉砕容器２６や複数の円板２８を直接加熱することができるから、電気抵抗によって抵抗加熱発熱体（例えば、ニクロム線など）を発熱させて粉砕容器２６や複数の円板２８を加熱するものに比して、加熱に必要なエネルギを小さくすることができる。また、粉砕容器２６の外側に加熱用の熱媒体の流路を形成する必要がないから、こうした流路を形成して熱媒体を流すことによって粉砕容器２６を加熱するものに比して、振動体の軽量化を図ることができ、振動の付与に必要なエネルギを小さくすることができる。また、実施例では、加熱装置４０のコイル４４を粉砕容器２６の周方向に見て粉砕容器２６の下半分の外周側を覆うよう配置するから、試料の集まりやすい場所を重点的に加熱することができ、試料の加熱をより効率よく行なうことができる。さらに、実施例では、粉砕容器２６の被覆層２６ｂを断熱性を有する材料によって形成するから、放熱ロスを低減することができ、粉砕容器２６や複数の円板２８の加熱に必要なエネルギをより小さくすることができる。

以上説明した実施例の加熱粉砕装置２０によれば、セルロース系の試料を粉砕する際に、加熱装置４０のコイル４４に流れる交流電流による誘導加熱によって粉砕容器２６の内側層２６ａや複数の円板２８を加熱するから、抵抗加熱発熱体を発熱させて粉砕容器２６の内側層２６ａや複数の円板２８を加熱するものに比して加熱に必要なエネルギを小さくすることができ、粉砕容器２６の外側に加熱用の熱媒体の流路を形成するものに比して振動の付与に必要なエネルギを小さくすることができる。この結果、加熱粉砕処理を効率よく行なうことができる。

実施例の加熱粉砕装置２０では、粉砕容器２６の内側層２６ａと粉砕媒体としての複数の円板２８とを共に磁性体材料によって形成するものとしたが、粉砕容器２６の内側層２６ａは磁性体材料によって形成するが複数の円板２８は反磁性体材料によって形成するものとしてもよいし、複数の円板２８は磁性体材料によって形成するが粉砕容器２６の内側層２６ａは反磁性体材料によって形成する（粉砕容器２６全体を反磁性体材料によって形成する）ものとしてもよい。

実施例の加熱粉砕装置２０では、粉砕容器２６の被覆層２６ｂは、反磁性体で断熱性を有する材料によって形成されるものとしたが、反磁性体で断熱性の低い材料によって形成されるものとしてもよい。

実施例の加熱粉砕装置２０では、加熱装置４０のコイル４４に交流電流を流すことによって、反磁性体材料によって形成された容器受け部４６と粉砕容器２６の被覆層２６ｂとを介して、磁性体材料によって形成された粉砕容器２６の内側層２６ａや複数の円板２８を誘導加熱により加熱するものとしたが、誘導加熱を用いるには、コイル４４と粉砕容器２６の内側層２６ａや複数の円板２８とに反磁性体の部分が介在すればよいから、被覆層２６ｂと磁器受け部４６とのうち一方を有しないものとしてもよい。即ち、粉砕容器２６を内側層２６ａだけで構成すると共にコイル４４を内蔵した容器受け部４６を粉砕容器２６の外側に取り付けるものとしたり、内側層２６ａと被覆層２６ｂとによって構成した粉砕容器２６の外側にコイル４４を直接取り付けるものとしたりしてもよいのである。また、粉砕容器２６の被覆層２６ｂは、粉砕容器２６の内側層２６ａ全体を覆うよう形成されるものに限定されるものだけでなく、一部だけ、例えば、コイル４４に対応する部分だけを覆うよう形成されるものとしてもよい。

実施例の加熱粉砕装置２０では、加熱装置４０のコイル４４は、図４に示したように、粉砕容器２６の周方向に見たときに、粉砕容器２６の下半分の外周側を覆うよう配置されるものとしたが、粉砕容器２６の外周側全体を覆うよう配置するものとしてもよいし、下半分より狭い下部領域だけを覆うよう配置するものとしてもよい。また、実施例の加熱粉砕装置２０では、コイル４４は、図５に示したように、粉砕容器２６（伝達軸５６）の軸方向に見たときに、粉砕容器２６の外周側の全体を覆うよう配置するものとしたが、一部だけを覆うよう配置するものとしてもよい。さらに、コイル４４は、粉砕容器２６の外周側に加えて、粉砕容器２６の軸方向の端部（端面）側の一部または全部も覆うよう配置するものとしてもよい。

実施例の加熱粉砕装置２０では、粉砕媒体として、外周面に複数の突起が形成された歯車状の複数の円板を用いるものとしたが、外周面に突起が形成されていない（滑らかな）複数の円板を用いるものとしてもよい。また、複数の円板に代えて、複数の円環（リング）や複数のボールや１以上のロッドなどを用いるものとしてもよい。

実施例の加熱粉砕装置２０では、振動付与装置７０は、モータ５１からの駆動力によってアンバランスウェイト５８が回転して粉砕本体２２に振動を付与する構成としたが、油圧や空気圧などを用いて粉砕本体２２に振動を付与する構成としてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、粉砕容器２６の内側に複数の円板２８を装入して構成された粉砕本体２２が「粉砕本体」に相当し、コイル４４を有する加熱装置４０が「加熱手段」に相当し、振動付与装置５０が「振動付与手段」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、加熱粉砕装置の製造産業などに利用可能である。

２０加熱粉砕装置、２２粉砕本体、２６粉砕容器、２６ａ内側層、２６ｂ被覆層、２８円板、４０加熱装置、４２電気回路、４４コイル、４６容器受け部、５０振動付与装置、５１モータ、５２ユニバーサルジョイント、５３，５６伝達軸、５４，５５歯車、５７接続部、５８アンバランスウェイト、５９弾性体。

Claims

セルロース系の試料を加熱しながら粉砕する加熱粉砕装置であって、
粉砕容器と粉砕媒体とのうちの少なくとも一方が磁性体材料により形成されており、前記粉砕媒体を前記粉砕容器の内側に装入して構成された粉砕本体と、
前記粉砕容器の外側の少なくとも一部に取り付けられ、前記粉砕容器または前記粉砕媒体のうち磁性体材料により形成された少なくとも一方を誘導加熱により加熱するコイルを有する加熱手段と、
前記加熱手段が取り付けられた前記粉砕本体に振動を付与可能な振動付与手段と、
を備える加熱粉砕装置。
請求項１記載の加熱粉砕装置であって、
前記加熱手段は、前記粉砕容器の下部にコイルが取り付けられている、
加熱粉砕装置。
請求項１または２記載の加熱粉砕装置であって、
前記粉砕容器は、反磁性体で断熱性を有する材料により形成された被覆層が外側全体に形成されている、
加熱粉砕装置。
請求項１ないし３のうちのいずれか１つの請求項に記載の加熱粉砕装置であって、
前記粉砕容器は、内側が円筒形に形成されており、
前記粉砕媒体は、複数の円板または円環である、
加熱粉砕装置。